KR20140134990A - 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법 - Google Patents
광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법에 관한 것으로, 상세하게는 유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부; 및 상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며, 그 내부로는, 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기;를 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법을 제공한다.
본 발명은 고분자 멤브레인 대신 고도산화반응 수처리에 있어 안정적이고, 친수성이며 촉매기능까지 부여할 수 있는 알루미나 멤브레인을 사용한다. 또한, 알루미나 멤브레인에 광촉매를 고정시키기 때문에 이를 다시 회수해야하는 추가 공정이 없어 비용을 절감할 수 있고, 광촉매를 안정적으로 고정화할 수 있는 고정방법을 개발하여, 알루미나 멤브레인을 이용하여 오염물질을 분리함과 동시에 광촉매를 이용하여 고도산화 수처리를 가능하게 함으로써 고효율의 수처리를 가능하게 한다.
본 발명은 고분자 멤브레인 대신 고도산화반응 수처리에 있어 안정적이고, 친수성이며 촉매기능까지 부여할 수 있는 알루미나 멤브레인을 사용한다. 또한, 알루미나 멤브레인에 광촉매를 고정시키기 때문에 이를 다시 회수해야하는 추가 공정이 없어 비용을 절감할 수 있고, 광촉매를 안정적으로 고정화할 수 있는 고정방법을 개발하여, 알루미나 멤브레인을 이용하여 오염물질을 분리함과 동시에 광촉매를 이용하여 고도산화 수처리를 가능하게 함으로써 고효율의 수처리를 가능하게 한다.
Description
본 발명은 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법에 관한 것으로, 상세하게는 난분해성 폐수처리 및 정수처리를 수행할 수 있는 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법에 관한 것이다.
산업분야의 다양화로 인해 자연유기물(natural organic matters), 내분비계 장애물질, 약리활성 물질, 탄소나노유기물질 등 수중 난분해성 미세 유기오염물질이 증가하고 다양화되고 있다.
일반적으로 폐수를 처리하는 방법은 생물학적처리 및 물리화학적 처리 방법으로 대별되는데, 생물학적처리는 생분해 가능한 유기물질의 산화에 사용되고, 물리화학적 처리는 부유물질 및 유기물질의 제거 및 산화에 사용된다.
한편, 독성 및 난분해성 유기물질의 농도가 높은 침출수, 산업 폐수 및 축산폐수는 생물학적 처리로는 독성 및 난분해성 유기물질을 만족할 만한 수준으로 제거하지 못할 뿐만 아니라 독성 물질에 의한 운전의 어려움이 많은 것으로 나타났고, 물리화학적 처리 방법은 생물학적 처리와 연계되어 유기물질의 부하를 줄이거나 독성 및 난분해성 물질을 응집, 침전, 또는 막분리, 흡착 등의 방법으로 제거시키고 있으나, 침출수, 산업 폐수, 및 축산폐수의 배출허용 기준을 만족시키기에는 경제적, 기술적으로 어려움이 많은 것으로 나타났다.
고도산화기술(AOT/AOP: Advanced Oxidation Technology/Process)은 일반적으로 사용하는 화학적 산화제보다 훨씬 강력한 산화력을 갖는 OH 라디칼을 생성시켜 유기물질의 산화 효율과 산화 속도를 증가시키는 수처리 기술을 의미한다. 강력한 산화력을 발휘하는 OH 라디칼은 수중에 존재하는 생분해 가능한 물질뿐만 아니라, 독성 및 난분해성 유기물질도 CO2 와 H2O로 완전 산화가 가능한 공정이란 점에서 수처리 기술로 각광받고 있다.
이러한 고도산화기술은 OH기를 생성시키는 방법에 따라서 여러 가지로 나누어질 수 있는데, 상기 고도산화기술에는 광촉매, 자외선, 오존, H2O2 등과 이들의 가능한 조합의 구성으로, 기존의 화학적·생물학적·물리학적 흡착·촉매이용방법 등이 다량의 산화제에 따른 부담감과 미생물의 적용 가능 여부 및 2차 처리가 필요한 점 그리고 고가의 귀금속 촉매 사용에 따른 경제적인 이유 등으로 다양한 문제점이 지적되어 온 이후, 경제적이면서도 환경친화적인 방법을 모색하는 방향으로 발전하고 기술이 개발되고 있다.
일반적으로 광촉매(Photocatalyst)는 빛(Photo)과 촉매(catalyst)의 합성어로 빛을 이용한 촉매 혹은 광반응을 가속시키는 촉매의 의미로, 빛을 에너지원으로 하여 촉매 반응을 진행시키는 물질을 말하는데, 이러한 광촉매로는 반응에 직접 참여하여 소모되지 않으면서도 기존의 광반응과는 다른 메커니즘을 제공하여 반응속도를 가속시킬 수 있는 일반적인 촉매로의 기본 조건을 만족함은 물론, 발현하고자 하는 물질에 빛을 조사하였을 때 자외선을 흡수하여 강한 환원력과 산화력을 가질 수 있는 반도체성 금속 산화물이나 황화합물이 주로 이용된다.
도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 반도체는 일정한 영역의 에너지가 가해지면 전자가 가전자대(Valence Band)에서 전도대(Conduction Band)로 여기하게 되는데, 전도대에는 전자(elctron)들이 생성되고 가전자대에는 정공(hole)을 형성하여 강한 환원력과 산화력을 지니게 되고, 특히 여기로 인해 생성되는 정공은 물과 용존 산소 등과의 반응에 의해 OH 라디칼과 활성 산소를 생성시키게 되며, 상기 OH 라디칼 에너지는 유기물을 구성하는 분자들 간의 결합 에너지보다 높아 이들을 간단히 절단하여 분해시킬 수 있어 수중에 녹아 있는 각종 유해한 화학 물질 및 악취 물질과 같은 공기 중의 화학 물질을 분해할 수 있다.
고도 산화처리공정과 관련된 종래의 기술로서 대한민국 등록특허 제10-0720035호에서는 광촉매를 이용한 수처리 장치 및 그 처리방법이 개시된 바 있다. 구체적으로는 외부의 폐수와 광촉매를 광조사램프가 구비된 광산화 반응조에 유입되는 단계; 상기 광산화 반응조에서 광산화 램프에 의하여 폐수를 처리하는 단계;
상기 광산화 반응조에서 처리된 처리수를 침전조에 유입시켜 5.5 내지 6.5 범위의 pH로 조절하여 광촉매를 침전시키는 단계;상기 침전수의 상등액을 진공펌프가 구비된 침지형 분리막 모듈이 설치된 분리막 탱크에 유입시켜 상기 분리막에 의하여
잔존 광촉매를 분리하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐수의 광산화 수처리 방법이 개시된 바 있다.
그러나, 상기 수처리 방법에 따를 경우, 광촉매에 의한 분해 반응 후에 폐수로부터 미세 광촉매 입자를 제거하기 위해 후속공정으로서 중공사 모듈을 침지시킨 생물막 반응기(Membrane bio-reactor, MBR)를 부가적으로 설치하여 사용해야 한다. 게다가 막의 오염으로 인해 광촉매를 전부 회수하는 것이 어려우며, 처리장치 밖으로 유출되는 광촉매의 손실로 인한 처리비용의 증가로 인한 문제점이 있다.
또한, 상기 수처리 방법에 사용되는 고분자 분리막은, 강력한 산화제에 직접 노출되었을 경우 분리막이 손상될 수 있고, 화학약품에 대한 안전성과 내구성이 부족하다. 게다가, 친수성이 아니기 때문에 고도정수처리 시스템이나 하폐수 처리 시스템 등 수처리에 효과적으로 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명의 발명자들은 고도산화반응 수처리에 적용할 수 있는 분리 수단에 대해 연구하던 중, 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은
광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은
상기 수처리시스템의 운전방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은
상기 수처리시스템을 이용한 폐수의 정화방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부; 및
상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며,
그 내부로는, 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기;를 포함하는 수처리시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은,
공급부에 저장된 유기오염물질이 포함된 폐수를 펌프 및 유량 조절기를 이용하여 광촉매 반응기로 공급하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 광촉매 반응기의 내부로 자외선을 조사하며 폐수를 정화하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 정화된 정화수를 배출하는 단계(단계 3);를 포함하는 수처리시스템의 운전방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은,
광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 제조하는 단계(단계 1);
유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부 및
상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며,
그 내부로는, 상기 단계 1에서 제조된 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기를 포함하는 수처리시스템을 구비시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 구비된 수처리시스템의 공급부에서 폐수를 공급하고, 광촉매 반응기로 유기오염물질을 분해하는 단계(단계 3);를 포함하는 폐수의 정화방법을 제공한다.
본 발명에 따른 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인은 종래 기술과 달리 수처리에 적합하지 않은 고분자 멤브레인 대신 알루미나 멤브레인을 사용하며, 이에 따라 고도산화반응 수처리에 있어 안정적이고, 친수성일 뿐만 아니라, 촉매기능까지 부여할 수 있어 더욱 향상된 수처리 효율을 나타낼 수 있다.
또한, 알루미나 멤브레인에 광촉매를 고정시키기 때문에 사용된 광촉매 입자를 다시 회수해야하는 추가 공정 없이 비용을 절감할 수 있어, 종래 공정에서 광촉매가 유실되는 등의 문제점을 해결할 수 있다.
나아가, 알루미나 멤브레인을 이용하여 오염물질을 분리함과 동시에 광촉매를 이용하여 고도산화 수처리를 가능하게 함으로써 고효율의 수처리를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광촉매가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 이용한 수처리시스템을 나타낸 그림이고;
도 2는 종래기술에 따른 수처리시스템을 나타낸 그림이고;
도 3은 본 발명에 따른 알루미나 중공사 멤브레인을 촬영한 사진(a), 광촉매가 고정된 알루미나 중공사 멤브레인의 개략도(b) 및 광촉매 활성 메커니즘을 나타낸 그림(c)이다.
도 2는 종래기술에 따른 수처리시스템을 나타낸 그림이고;
도 3은 본 발명에 따른 알루미나 중공사 멤브레인을 촬영한 사진(a), 광촉매가 고정된 알루미나 중공사 멤브레인의 개략도(b) 및 광촉매 활성 메커니즘을 나타낸 그림(c)이다.
본 발명은
유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부; 및
상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며,
그 내부로는, 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기;를 포함하는 수처리시스템을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 수처리 시스템의 일례는 도 1의 그림을 통해 나타내었으며, 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수처리시스템을 더욱 상세히 설명한다.
도면을 참조하면, 도 1에 도시한 본 발명의 수처리시스템은 크게 폐수를 공급하는 공급부(90)와 폐수를 정화하는 광촉매 반응기(100)로 이루어진다.
먼저, 공급부(90)는 유기오염물질이 포함된 폐수를 섞는 역할을 하는 교반 모터(80)를 구비하고 있으며, 교반 모터(80)에 의하여 섞인 폐수는 오염물질이 분산되어 있기 때문에, 폐수를 교반하지 않아 오염물질이 응집되어있을 때보다 넓은 면적에서 OH 라디칼에 광분해되므로 더 나은 수처리 효율을 나타낼 수 있다.
공급부(90)의 교반된 폐수는 펌프(160)에 의하여 수처리 유입구(110)를 통해 광촉매 반응기(100)로 유입되며, 이때 폐수의 유입량은 유량 조절기(180)를 통하여 조정될 수 있다.
다음으로, 광촉매 반응기(100)는 광반응을 일으킬 수 있도록 자외선 램프(140)를 구비하고 있으며, 고효율의 수처리를 위하여 광촉매 반응기(100)의 상단에 광원이 더욱 입사할 수 있도록 투명 덮개(150)를 구비할 수 있다. 또한, 본 발명에서 유기오염물질의 분리와 동시에 광반응을 할 수 있도록 제작된 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 광촉매 중공사 멤브레인 모듈(130)을 통해 폐수를 정수할 수 있도록 하였다.
광촉매 반응기(100)의 정화된 정화수는 펌프(170)에 의하여 수처리 배출구(120)를 통해 밖으로 유출되며, 이때 정화수의 유출은 밸브(190)에 의하여 조정될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래기술에 따르면 기존의 UV/광촉매 시스템은 대부분 광촉매 나노입자가 분산된 슬러리 상태의 회분식 유동층 반응기에 의해 산화분해 처리가 되고 있으나, 이러한 방식으로 처리하는 경우에는 광촉매에 의한 분해 반응 후 광촉매를 다시 회수하여야 하는 어려움과, 다시 회수되지 못하고 처리장치 밖으로 유출되는 광촉매의 손실로 인한 처리비용이 증가되는 문제점이 있었다.
반면, 본 발명에 따른 수처리시스템은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 광촉매를 멤브레인에 안정적으로 고정화한 후, 수처리시스템에 구비함으로써 광촉매를 다시 회수하는 공정이 없고 간단히 공급부(90)와 광촉매 반응기(100)로만 이루어지도록 하여 보다 경제적인 수처리가 가능하다.
상기 광촉매 반응기의 광촉매로는 이산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO, ZrO2), 산화텅스텐(WO3), 산화바나듐(V2O3), 페로브스카이트형 복합 금속 산화물 등을 사용할 수 있다.
특히, 산화 티타늄은 투명성 및 내구성이 우수할 뿐 아니라 유해성이 없기 때문에 유기물 분해효과를 가져오기 위한 광촉매 입자로서 보다 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 산화 티타늄의 결정 구조는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 루틸(rutile)형, 아나타세(anatase)형, 브루카이트(brookite)형 또는 무정(amorphous)형 등의 산화티타늄을 사용할 수 있으며, 또한 TiO2-xNx, TiO2-x (x는 0 또는 1)등을 사용할 수 있다(상기 TiO2-xNx는 산화 티타늄 내에 적어도 하나의 산소 원자를 음이온(anion)의 역할을 하는 질소 원자로 치환한 것이다).
그러나 상기 광촉매가 이에 제한되는 것은 아니며, 고도산화반응 수처리에 적용될 수 있는 광촉매를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 광촉매 나노입자의 크기는 10 내지 1000 nm 인 것이 바람직하다.
만약, 광촉매 나노입자의 크기가 10 nm 이하인 경우에는 멤브레인 기공의 크기에 영향을 미쳐 투과 유속이 낮아지는 문제점이 있고, 광촉매 나노입자의 크기가 1000 nm 이상이면 충진밀도가 낮아 처리효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명에서, 다공성 멤브레인의 기공도는 20 내지 60 % 인 것이 바람직하다.
기공도가 20 % 미만이면, 투과속도가 작아지게 되어 투과 유속이 낮아지는 문제점이 있으며, 충분한 수처리의 효율을 내기 위한 정도의 고정이 되지 않는 문제가 있다. 반면, 60 ％를 초과하면, 성형체의 자기 지지성(기계적 강도)이 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 상기 다공성 멤브레인의 기공의 크기는 0.001 내지 1 μm 인 것이 바람직하다.
만약, 기공의 크기가 0.001 μm 미만이면 멤브레인에 대한 저항이 커 처리유량이 저하되는 문제가 생긴다. 한편, 기공의 크기가 1 μm를 초과하면, 광촉매의 담지량이 줄어 처리효율을 떨어뜨리며 불순물을 걸러내지 못하여 수질의 신뢰성 또한 떨어뜨리는 문제점이 발생한다.
다만, 상기 다공성 멤브레인의 기공도와 기공의 크기는 수투과량을 고려하여 조절할 수 있다.
본 발명에 있어 다공성 멤브레인으로는 알루미나를 사용하는 것이 바람직하다.
알루미나 멤브레인은 종래 기술에서 사용되던 고분자 멤브레인과 비교하여 강력한 산화제가 직접 노출되더라도 손상되는 문제가 없고, 화학약품에 대한 높은 안정성, 뛰어난 내구성을 가진다. 또한, 친수성을 가짐에 따라 고도정수처리시스템이나 하폐수처리시스템 등 수처리에 효과적이고 안정적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
상기 알루미나 다공성 멤브레인을 수처리시스템에 사용하는 경우, 강력한 산화제나 화학약품에 노출되어도 손상되지 않으며, 기존에 고분자 멤브레인을 적용시 멤브레인이 손상되어 수처리 효율이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있고, 보다 장기간의 사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 촉매특성을 부여한 경우에는 알루미나 다공성 멤브레인에 의한 유해물질의 분리뿐만 아니라 유기물을 분해 및 제거하는 효과도 가지므로 고효율의 수처리가 가능하다.
다만, 상기 다공성 멤브레인이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 다공성 멤브레인은 중공사막, 튜브형막, 평막 등의 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 중공사의 형태를 가질 수 있다.
도 3(a)에 나타낸 바와 같이 중공사 멤브레인은 미세한 불순물을 제거하기 위한 용도로 사용되었던 투과막으로서, 폐수처리, 용수제조를 포함하는 수처리, 식품과 제약부문에서의 농축, 공기 중에서의 산소와 질소의 분리, 암모니아의 회수 등 산업 전반에 걸쳐 널리 이용되고 있다.
상기 다공성 멤브레인의 형태가 이러한 중공사 형태인 경우, 다른 구조들과 비교하여 표면적이 더욱 큰 장점이 있다.
본 발명에 따라 상기 중공사 형태의 다공성 멤브레인을 수처리시스템에 사용하는 경우, 표면적이 넓기 때문에 작은 용적으로도 많은 양의 폐수를 분리할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 넓은 표면적에 더 많은 양의 광촉매를 고정시킬 수 있기 때문에, 같은 부피의 다른 구조를 가진 다공성 멤브레인과 비교하였을때 광분해 효율이 상승한다는 장점이 있다.
그러나, 상기 다공성 멤브레인의 형태가 이에 제한되는 것은 아니며, 수처리 시스템으로 적용될 수 있는 형태를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은,
공급부에 저장된 유기오염물질이 포함된 폐수를 펌프 및 유량 조절기를 이용하여 광촉매 반응기로 공급하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 광촉매 반응기의 내부로 자외선을 조사하며 폐수를 정화하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 정화된 정화수를 배출하는 단계(단계 3);를 포함하는 수처리시스템의 운전방법을 제공한다.
이하, 도 1에 도시한 수처리시스템을 일례로 하여, 본 발명에 따른 수처리시스템의 운전방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 수처리시스템의 운전방법에 있어서, 단계 1은 공급부(90)에 저장된 유기오염물질이 포함된 폐수를 펌프(160) 및 유량조절기(180)을 이용하여 광촉매 반응기(100)로 공급하는 단계이다.
이때, 공급부(90)에서는 교반 모터(80)를 이용하여 유기오염물질이 포함된 폐수를 섞어 균일하도록 만든다. 교반 모터(80)에 의하여 섞인 폐수는 오염물질이 분산되어 있기 때문에, 폐수를 교반하지 않아 오염물질이 응집되어있을 때보다 넓은 면적에서 OH 라디칼에 의해 광분해되므로 더 나은 수처리 효율을 나타낼 수 있다. 이렇게 균일하게 교반된 폐수는 펌프(160)를 이용하여 수처리유입구(110)를 통해 광촉매 반응기(100)로 유입된다. 이때, 폐수의 유입량은 일정유량을 광촉매 반응기(100)에 공급하여 원활한 광반응을 일으키기 위하여 유량조절기(180)로 조절된다.
단계 2는 상기 단계 1의 광촉매 반응기(100)의 내부로 자외선을 조사하며 폐수를 정화하는 단계이다.
단계 1에 의해 유입된 폐수는 광촉매 반응기(100) 내부의 광촉매 중공사 멤브레인 모듈(130)에 의해 분리되고, 자외선 램프(140)의 광원에 의해 고도산화반응을 일으켜 정화된다.
단계 3은 상기 단계 2에서 정화된 정화수를 배출하는 단계이다.
단계 2에서 정화된 정화수는 펌프(170)에 의해 수처리 배출구(120)로 배출되며, 이때 밸브(190)를 통해 배출량을 조정한다.
본 발명에 따른 수처리시스템에서는 광촉매가 안정적으로 고정된 다공성 알루미나 멤브레인에 의해 오염물질이 분리되고 광분해되기 때문에, 기존에 광촉매가 멤브레인에 잘 고정되지 않고 떨어져서 정화수와 함께 배출되던 문제점과 잔존유기물에 의해 2차적으로 오염 되는 문제점을 해결할 수 있다. 결과적으로, 상기 수처리시스템으로 폐수를 처리할 경우 유기물이 고효율로 제거된 정화수가 배출된다.
나아가,
광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 제조하는 단계(단계 1);
유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부 및
상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며,
그 내부로는, 상기 단계 1에서 제조된 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기를 포함하는 수처리시스템을 구비시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 구비된 수처리시스템의 공급부에서 폐수를 공급하고, 광촉매 반응기로 유기오염물질을 분해하는 단계(단계 3);를 포함하는 폐수의 정화방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 상기 수처리시스템을 이용한 폐수의 정화방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 폐수 정화방법에 있어서, 단계 1은 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 제조하는 단계이다.
이때, 본 발명에 따른 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인 제조방법에 있어서, 다공성 알루미나 멤브레인은 바람직하게는 상전이법을 통해 제조될 수 있다.
이하, 상전이법을 통해 중공사 형태의 다공성 알루미나 멤브레인을 제조하는 방법의 일례를 상세히 설명한다.
알루미나 분말을 용매에 첨가하여 알루미나 용액을 제조하는 단계(단계 a), 상기 알루미나 용액을 비용매가 있는 응고조로 분사시켜 전구체를 제조하는 단계(단계 b), 상기 제조된 전구체를 소결하여 다공성 알루미나 멤브레인을 제조하는 단계(단계 c)를 통해 다공성 알루미나 멤브레인을 제조할 수 있다.
먼저, 단계 a에서는 알루미나 분말을 용매에 첨가하여 혼합한 후 알루미나 용액을 제조한다. 이때 용매는 에테르계와 알코올계를 사용할 수 있다.
단계 b에서는 상기 단계 a의 알루미나 용액을 비용매가 있는 응고조로 방사하여 이를 상전이시킴으로써 전구체를 제조한다. 상기 비용매는 물 또는 알코올 수용액이 사용될 수 있다.
단계 c에서는 상기 단계 b에서 제조된 전구체를 열처리하여 다공성 알루미나 멤브레인을 제조한다.
그러나, 상기의 다공성 멤브레인의 제조방법이 이에 제한되는 것은 아니며, 고도산화반응 수처리에 사용될 수 있는 멤브레인의 제조방법을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인 제조방법에 있어서, 상기 제조된 다공성 멤브레인에 광촉매 나노입자를 고정하는 단계이다.
상기 단계 b의 광촉매를 다공성 멤브레인에 고정하는 방법은 광촉매 나노 입자의 물리적 고정화, 또는 광촉매 나노 입자와 멤브레인 표면과의 화학결합을 통해 수행될 수 있다.
물리적 고정화의 방법으로는 진공기술(vacuum technique)을 이용한 스퍼터링(sputtering) 방법, 스프레이법이 있고, 화학적 고정화의 방법으로는 티타늄과 같은 금속산화물 전구체의 열분해 기술(액체 열분해, 분말 열분해, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition))과 졸-겔 기술(침지(immersed) 또는 담금(dipping), 가압코팅법, 셀-코팅(cell-coating))이 있다. 또한 현탁액(suspension) 코팅기술을 이용한 직접고정화 방법 등이 있다.
다만, 광촉매 고정화 방법이 이에 제한되는 것은 아니며, 광촉매를 다공성 멤브레인에 강하게 고정할 수 있는 방법을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 폐수 정화방법에 있어서, 단계 2는 유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부 및
상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며,
그 내부로는, 상기 단계 1에서 제조된 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기를 포함하는 수처리시스템을 구비시키는 단계이다.
이하, 상기 단계 2의 수처리시스템을 구비시키는 단계를 상세히 설명한다.
상기 단계 2의 수처리시스템은 크게 공급부(90)와 광촉매 반응기(100)로 이루어진다.
먼저, 공급부(90)는 교반 모터(80)를 구비하고 있으며, 공급부(90)의 교반된 폐수는 펌프(160)에 의하여 수처리 유입구(110)를 통해 광촉매 반응기(100)로 유입되며, 이때 폐수의 유입량은 유량 조절기(180)를 통하여 조정될 수 있다.
다음으로, 광촉매 반응기(100)는 자외선 램프(140)를 구비하고 있으며, 광촉매 반응기(100)의 상단에 투명 덮개(150)를 구비할 수 있다. 또한, 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 광촉매 중공사 멤브레인 모듈(130)을 통해 폐수를 정수할 수 있도록 하였다. 광촉매 반응기(100)의 정화된 정화수는 펌프(170)에 의하여 수처리 배출구(120)를 통해 밖으로 유출되며, 이때 정화수의 유출은 밸브(190)에 의하여 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 폐수 정화방법에 있어서, 단계 3은 단계 2에서 구비된 수처리시스템의 공급부에서 폐수를 공급하고, 광촉매 반응기로 유기오염물질을 분해하는 단계로서, 상기 단계 3에서의 유기오염물질 분해는 하기와 같이 수행될 수 있다.
먼저, 공급부(90)에 저장된 유기오염물질이 포함된 폐수를 펌프(160) 및 유량조절기(180)를 이용하여 광촉매 반응기(100)로 공급하는 단계이다.
이때, 공급부(90)에서는 교반 모터(80)를 이용하여 유기오염물질이 포함된 폐수를 섞어 균일하도록 만든다. 이렇게 균일하게 교반된 폐수는 펌프(160)를 이용하여 수처리유입구(110)를 통해 광촉매 반응기(100)로 유입된다. 이때, 폐수의 유입량은 일정유량을 광촉매 반응기(100)에 공급하여 원활한 광반응을 일으키기 위하여 유량조절기(180)를 통하여 조절된다.
다음으로, 상기 광촉매 반응기(100)의 내부로 자외선을 조사하며 폐수를 정화하는 단계이다.
유입된 폐수는 광촉매 반응기(100) 내부의 광촉매 중공사 멤브레인 모듈(130)에 의해 분리되고, 자외선 램프(140)의 광원에 의해 고도산화반응을 일으켜 정화된다. 이때, 경우에 따라 반응기 상단으로 투명 덮개(150)가 구비되는 경우, 상기 투명 덮개(150)를 통해 투과되는 태양광에 의해 더욱 고효율의 고도산화반응이 가능하다.
마지막으로, 상기 단계에서 정화된 정화수를 배출하는 단계이다.
상기 단계에서 정화된 정화수는 펌프(170)에 의해 수처리 배출구(120)로 배출되며, 이때 밸브(190)를 통해 배출량을 조정한다. 본 발명에 따른 수처리시스템으로 폐수를 처리할 경우 유기물이 고효율로 제거된 정화수가 배출된다.
본 발명에 따른 폐수 정화방법에 있어서, 단계 3의 유기오염물질 분해는 과산화수소(H2O2), 오존(O3), 펜톤 촉매(Fe2 +) 등을 이용한 복합 고도산화공정을 포함하여 폐수를 정화할 수 있다.
고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP)이란, 보통의 산화공정에서 사용하는 산화제보다 강력한 산화력을 가지는 수산화 라디칼(OH)을 중간 생성물질로 생성하여 수중의 오염물질을 산화, 분해하는 수처리 기술을 통칭하는 말이다.
자외선, 과산화수소, 오존 등을 개별적으로 사용하여 고도산화처리를 수행할 수 있지만, 자외선을 이용하는 과정에 더하여 오존, 과산화수소, 펜톤 촉매 등을 부가처리하여 산화력을 증대시키는 방식을 이용할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
80: 교반 모터
90: 공급부
100: 광촉매 반응기
110: 수처리 유입구
120: 수처리 배출구
130: 광촉매 중공사 멤브레인 모듈
140: 자외선 램프
150: 투명 덮개
160: 펌프
170: 펌프
180: 유량 조절기
190: 밸브
90: 공급부
100: 광촉매 반응기
110: 수처리 유입구
120: 수처리 배출구
130: 광촉매 중공사 멤브레인 모듈
140: 자외선 램프
150: 투명 덮개
160: 펌프
170: 펌프
180: 유량 조절기
190: 밸브
Claims (10)
- 유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부; 및
상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며,
그 내부로는, 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기;를 포함하는 수처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 광촉매 나노입자는 이산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO, ZrO2), 산화텅스텐(WO3), 산화바나듐(V2O3) 및 페로브스카이트형 복합 금속 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 광촉매 나노입자의 크기는 10 내지 1000 nm 인 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인의 기공도는 20 내지 60 % 인 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인의 기공의 크기는 0.001 내지 1 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인의 형태는 중공사막, 튜브형막, 및 평막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 형태인 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
- 공급부에 저장된 유기오염물질이 포함된 폐수를 펌프 및 유량 조절기를 이용하여 광촉매 반응기로 공급하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 광촉매 반응기의 내부로 자외선을 조사하며 폐수를 정화하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 정화된 정화수를 배출하는 단계(단계 3);를 포함하는 수처리시스템의 운전방법.
- 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 제조하는 단계(단계 1);
유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부 및
상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며,
그 내부로는, 상기 단계 1에서 제조된 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기를 포함하는 수처리시스템을 구비시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 구비된 수처리시스템의 공급부에서 폐수를 공급하고, 광촉매 반응기로 유기오염물질을 분해하는 단계(단계 3);를 포함하는 폐수의 정화방법.
- 제8항에 있어서,
상기 다공성 알루미나 멤브레인은 광촉매 나노입자의 물리적 고정화, 또는 광촉매 나노입자와 멤브레인 표면과의 화학결합을 통해 고정된 광촉매 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수의 정화방법.
- 제8항에 있어서,
단계 3의 유기오염물질 분해는 과산화수소(H2O2), 오존(O3), 펜톤 촉매(Fe2 +)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 촉매에 의한 복합 고도산화공정을 포함하는 폐수의 정화방법.
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| KR1020130055140A KR20140134990A (ko) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법 |
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ID=52455847
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